基于管道流体信号的自振射流特性检测方法

工程科学学报，第41卷，第3期：377-383,2019年3月 Chinese Journal of Engineering,Vol.41,No.3:377-383,March 2019 DOI:10.13374/j.issn2095-9389.2019.03.011:http://journals.ustb.edu.cn 基于管道流体信号的自振射流特性检测方法 蔡腾飞，潘岩，马飞，崔立华，邱林宾 北京科技大学机械工程学院，北京100083 ☒通信作者，E-mail:yeke@usth.cdu.cn 摘要提出基于管道流体信号的自振射流特性检测方法，将压力传感器从高压罐内移至高压罐外，布置在高压罐外的前端 管路上，从而避开高围压环境影响：通过双压力传感器拾取管道流体压力脉动信号，并运用信号处理技术有效抑制干扰噪声， 提高有用信号强度，准确获取射流的压力脉动信息.试验表明，管道流体压力信号的频谱特征与喷嘴腔内检测法具有一致性， 且与理论计算较为吻合，充分表征了射流的压力振荡特性：其声功率谱与高压罐内水听器检测结果相一致，较好地表述了射 流的空化作用特性.由此认为基于管道流体信号的检测法用于自振射流特性的检测是完全可行的，具有先进性，为高围压下 自振射流的研究提供了新手段. 关键词自振射流：流体信号；压力振荡；空化作用：检测方法 分类号TG142.71 Detection method of the self-resonating waterjet characteristic based on the flow signal in a pipeline CAl Teng-fei,PAN Yan,MA Fei,CUl Li-hua,OIU Lin-bin School of Mechanical Engineering,University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:yeke@ustb.edu.cn ABSTRACT The self-resonating waterjet has the characteristics of high-frequency pressure oscillation and strong cavitation.Accu- rately grasping the jet characteristics is a prerequisite for the application research of self-resonating waterjets.The characteristics of the self-resonating waterjet are typically acquired through a test.Traditional test methods primarily include the striking test and signal de- tection in the nozzle chamber.However,these methods both have the disadvantage of low detection accuracy and the inability to over- come the impact of high ambient pressure.In this article,a detection method for self-resonating waterjet characteristics based on the flow signal in a pipeline was proposed.The pressure sensors were transferred from within the high pressure tank to the outside of the tank and were arranged in the front pipeline outside the tank to avoid the influence of high ambient pressure.Dual-pressure sensors were used to acquire the flow pressure pulse signal,and signal-processing technology was used to effectively suppress noise interference for enhancing the intensity of useful signals and accurately obtaining the pressure fluctuation information of the self-resonating waterjet. The test results show that the spectral characteristics acquired from the flow pressure signal in the pipeline agree with the results ob- tained from the signal in the chamber and are also consistent with the theoretical calculations.Thus,the pressure oscillation character- istics of the waterjet are fully characterized.Moreover,the acoustic power spectrum obtained from the flow pressure signal in the pipe- line is in accordance with the result obtained from the hydrophone in the high pressure tank.Consequently,the cavitation characteristic of the waterjet is well characterized.Therefore,the detection method based on the flow signal in the pipeline is entirely feasible and ad- vanced and provides a new means for the study of the self-resonating waterjet under high ambient pressure. KEY WORDS self-resonating waterjet:flow signal;pressure oscillation:cavitation:detection method 收稿日期：20180404 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51274021,51774019)：国家“十二五”资助项目(DY125-14-T03)

工程科学学报，第 41 卷，第 3 期: 377--383，2019 年 3 月 Chinese Journal of Engineering，Vol． 41，No． 3: 377--383，March 2019 DOI: 10． 13374 /j． issn2095--9389． 2019． 03． 011; http: / /journals． ustb． edu． cn 基于管道流体信号的自振射流特性检测方法 蔡腾飞，潘 岩，马 飞，崔立华，邱林宾 北京科技大学机械工程学院，北京 100083 通信作者，E-mail: yeke@ ustb． edu． cn 摘 要 提出基于管道流体信号的自振射流特性检测方法，将压力传感器从高压罐内移至高压罐外，布置在高压罐外的前端 管路上，从而避开高围压环境影响; 通过双压力传感器拾取管道流体压力脉动信号，并运用信号处理技术有效抑制干扰噪声， 提高有用信号强度，准确获取射流的压力脉动信息． 试验表明，管道流体压力信号的频谱特征与喷嘴腔内检测法具有一致性， 且与理论计算较为吻合，充分表征了射流的压力振荡特性; 其声功率谱与高压罐内水听器检测结果相一致，较好地表述了射 流的空化作用特性． 由此认为基于管道流体信号的检测法用于自振射流特性的检测是完全可行的，具有先进性，为高围压下 自振射流的研究提供了新手段． 关键词 自振射流; 流体信号; 压力振荡; 空化作用; 检测方法 分类号 TG142. 71 收稿日期: 2018--04--04 基金项目: 国家自然科学基金资助项目( 51274021，51774019) ; 国家“十二五”资助项目( DY125--14--T--03) Detection method of the self-resonating waterjet characteristic based on the flow signal in a pipeline CAI Teng-fei，PAN Yan，MA Fei ，CUI Li-hua，QIU Lin-bin School of Mechanical Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China Corresponding author，E-mail: yeke@ ustb． edu． cn ABSTＲACT The self-resonating waterjet has the characteristics of high-frequency pressure oscillation and strong cavitation． Accu￾rately grasping the jet characteristics is a prerequisite for the application research of self-resonating waterjets． The characteristics of the self-resonating waterjet are typically acquired through a test． Traditional test methods primarily include the striking test and signal de￾tection in the nozzle chamber． However，these methods both have the disadvantage of low detection accuracy and the inability to over￾come the impact of high ambient pressure． In this article，a detection method for self-resonating waterjet characteristics based on the flow signal in a pipeline was proposed． The pressure sensors were transferred from within the high pressure tank to the outside of the tank and were arranged in the front pipeline outside the tank to avoid the influence of high ambient pressure． Dual-pressure sensors were used to acquire the flow pressure pulse signal，and signal-processing technology was used to effectively suppress noise interference for enhancing the intensity of useful signals and accurately obtaining the pressure fluctuation information of the self-resonating waterjet． The test results show that the spectral characteristics acquired from the flow pressure signal in the pipeline agree with the results ob￾tained from the signal in the chamber and are also consistent with the theoretical calculations． Thus，the pressure oscillation character￾istics of the waterjet are fully characterized． Moreover，the acoustic power spectrum obtained from the flow pressure signal in the pipe￾line is in accordance with the result obtained from the hydrophone in the high pressure tank． Consequently，the cavitation characteristic of the waterjet is well characterized． Therefore，the detection method based on the flow signal in the pipeline is entirely feasible and ad￾vanced and provides a new means for the study of the self-resonating waterjet under high ambient pressure． KEY WOＲDS self-resonating waterjet; flow signal; pressure oscillation; cavitation; detection method

·378 工程科学学报，第41卷，第3期 自振射流是一种兼有空化射流和脉冲射流优点 实现自振射流特性的检测 的高效射流，在高围压环境下可显著提高冲蚀效 果口，因此自振射流技术在深海矿产资源开采回、 1试验装置及参数 石油钻井间等领域具有广阔应用前景 本课题组曾研发了自振射流特性的喷嘴腔内信 自振射流的特性—高频压力振荡和强烈空化 号检测法，文献1]作了详细介绍，本文提出的管 作用，直接决定着自振射流的打击冲蚀效果，因此准 道流体信号检测法是对原方法的改进和完善，为了 确掌握自振射流的特性，是开展自振射流技术应用 验证新检测方法的可行性和先进性，进行了一系列 研究以及高效发挥自振射流打击作用的前提.但由 试验研究. 于对自振射流调制机理的了解尚不清晰，目前获取 1.1试验装置 自振射流的特性仍然只能通过试验手段.传统的自 自振射流通常应用在围压环境中，也只有在围 振射流特性检测方法主要有打击试验法、腔内信号 压条件下才能充分发挥该技术的优势，为此搭建了 检测法等.打击试验法是在标靶上加装力传感器， 具有高围压试验条件的试验装置，如图1所示该 实现自振射流压力振荡特性的检测.Lⅵ等而通过标 装置主要由水箱、高压泵、压力表、流量计、风琴管喷 靶打击试验，探究了围压下自振射流轴心压力脉动 嘴、高压罐、标靶、溢流阀、控制台、伺服电机、传感 特性随靶距及喷嘴结构的变化规律，并得到了射流 器、数据采集器等组成.高压罐用以模拟高围压环 轴向压力脉动频率；Hu等因以等强度梁为标靶，通 境，围压大小由滋流阀控制，试验喷嘴置于高压罐 过测试梁的振动，获得了自振射流的时域和频域特 内；控制台可实现来流压力、围压及靶距的调节；在 征：王萍辉与马飞通过对标靶振动信号的分析， 高压罐的外壁上布置压力传感器以采集围压参数， 研究了自振射流的压力振荡特性和空化作用：李登 在高压罐外的前端管路上串接流量计记录流量 等)在标靶背面嵌入压力传感器，检测射流轴心压 变化. 力脉动，据此研究了喷嘴内表面粗糙度对自振射流 试验装置中共设4个测点.测点1、测点2用于 压力振荡特性的影响.打击试验法较好地用于自振 采集管路中的流体压力脉动信号，分别布置在高压 射流压力振荡特性的获取与分析，但该方法是借助 泵出口和高压罐外的管路上，见图1中的高频压力 于标靶振动间接获取自振射流的压力振荡特性，因 传感器3和6.测点3、测点4用于采集高压罐内水 此其影响因素多、精度低.为此唐川林等阏、马飞 听器与压力传感器的信号，分别布置在高压罐内的 等提出了喷嘴腔内信号检测法，该方法通过在喷 靶盘附近与喷嘴侧壁，见图1中的7和9，测点3和 嘴装置的侧壁安装压力传感器，直接拾取喷嘴腔内 4的数据用作对比试验.各传感器均与数据采集器 流体的压力脉动信号，运用信号处理技术准确获取 相连并实时将数据传输至数据处理器 射流压力振荡特性的时域和频域信息.喷嘴腔内信 号检测法直接获取振荡腔内流体信号，信号强且干 扰少、精度高，但传感器布置困难，尤其是小尺寸喷 嘴，且需要在喷嘴侧壁开设信号孔，损坏了本身结 构0一.此外，腔内信号检测法和打击试验法均存 在以下问题：一是自振射流空化作用特性的检测需 要借助于水听器，上述试验方法中，水听器安装在打 @.⑧⑧ 17/ 16 15 击靶附近，拾取空化噪声：二是无法克服高围压环境 1一水箱：2一高压泵：3一高频压力传感器A:4一压力表：5一流量 的影响，试验中拾取信号的传感器、水听器以及试验 计：6一高频压力传感器B:7一水听器：8一压力传感器：9一高频 标靶始终处于围压条件下，随着试验围压增加，传感 压力传感器C:10一风琴管喷嘴：11一高压罐：12一靶盘：13一数 器和标靶的可靠性受到极大的挑战，甚至失去效能. 据采集器：14一计算机：15一伺服电机：16一溢流阀：17一控制台 针对上述问题，本文提出一种基于管道流体信 图1试验装置 号的自振射流特性检测的新方法，该方法将压力传 Fig.1 Schematic diagram of the test setup 感器设置在高压罐外的前端管路上，使传感器远离 1.2自振射流发生装置 高围压环境，并基于水声学理论采用压力传感器拾 试验中采用风琴管喷嘴作为自振射流发生装 取管道流体的压力脉动信号，运用信号处理技术准 置，其结构如图2所示.由风琴管喷嘴的特性可知， 确获取自振射流的压力振荡特性和空化作用效果， 其产生射流的自激频率为

工程科学学报，第 41 卷，第 3 期 自振射流是一种兼有空化射流和脉冲射流优点 的高效射流，在高围压环境下可显著提高冲蚀效 果［1］，因此自振射流技术在深海矿产资源开采［2］、 石油钻井［3］等领域具有广阔应用前景． 自振射流的特性———高频压力振荡和强烈空化 作用，直接决定着自振射流的打击冲蚀效果，因此准 确掌握自振射流的特性，是开展自振射流技术应用 研究以及高效发挥自振射流打击作用的前提． 但由 于对自振射流调制机理的了解尚不清晰，目前获取 自振射流的特性仍然只能通过试验手段． 传统的自 振射流特性检测方法主要有打击试验法、腔内信号 检测法等． 打击试验法是在标靶上加装力传感器， 实现自振射流压力振荡特性的检测． Li 等［4］通过标 靶打击试验，探究了围压下自振射流轴心压力脉动 特性随靶距及喷嘴结构的变化规律，并得到了射流 轴向压力脉动频率; Hu 等［5］以等强度梁为标靶，通 过测试梁的振动，获得了自振射流的时域和频域特 征; 王萍辉与马飞［6］通过对标靶振动信号的分析， 研究了自振射流的压力振荡特性和空化作用; 李登 等［7］在标靶背面嵌入压力传感器，检测射流轴心压 力脉动，据此研究了喷嘴内表面粗糙度对自振射流 压力振荡特性的影响． 打击试验法较好地用于自振 射流压力振荡特性的获取与分析，但该方法是借助 于标靶振动间接获取自振射流的压力振荡特性，因 此其影响因素多、精度低． 为此唐川林等［8］、马飞 等［9］提出了喷嘴腔内信号检测法，该方法通过在喷 嘴装置的侧壁安装压力传感器，直接拾取喷嘴腔内 流体的压力脉动信号，运用信号处理技术准确获取 射流压力振荡特性的时域和频域信息． 喷嘴腔内信 号检测法直接获取振荡腔内流体信号，信号强且干 扰少、精度高，但传感器布置困难，尤其是小尺寸喷 嘴，且需要在喷嘴侧壁开设信号孔，损坏了本身结 构［10--11］． 此外，腔内信号检测法和打击试验法均存 在以下问题: 一是自振射流空化作用特性的检测需 要借助于水听器，上述试验方法中，水听器安装在打 击靶附近，拾取空化噪声; 二是无法克服高围压环境 的影响，试验中拾取信号的传感器、水听器以及试验 标靶始终处于围压条件下，随着试验围压增加，传感 器和标靶的可靠性受到极大的挑战，甚至失去效能． 针对上述问题，本文提出一种基于管道流体信 号的自振射流特性检测的新方法，该方法将压力传 感器设置在高压罐外的前端管路上，使传感器远离 高围压环境，并基于水声学理论采用压力传感器拾 取管道流体的压力脉动信号，运用信号处理技术准 确获取自振射流的压力振荡特性和空化作用效果， 实现自振射流特性的检测． 1 试验装置及参数 本课题组曾研发了自振射流特性的喷嘴腔内信 号检测法，文献［11］作了详细介绍，本文提出的管 道流体信号检测法是对原方法的改进和完善，为了 验证新检测方法的可行性和先进性，进行了一系列 试验研究． 1. 1 试验装置 自振射流通常应用在围压环境中，也只有在围 压条件下才能充分发挥该技术的优势，为此搭建了 具有高围压试验条件的试验装置，如图 1 所示． 该 装置主要由水箱、高压泵、压力表、流量计、风琴管喷 嘴、高压罐、标靶、溢流阀、控制台、伺服电机、传感 器、数据采集器等组成． 高压罐用以模拟高围压环 境，围压大小由溢流阀控制，试验喷嘴置于高压罐 内; 控制台可实现来流压力、围压及靶距的调节; 在 高压罐的外壁上布置压力传感器以采集围压参数， 在高压罐外的前端管路上串接流量计记录流量 变化． 试验装置中共设 4 个测点． 测点 1、测点 2 用于 采集管路中的流体压力脉动信号，分别布置在高压 泵出口和高压罐外的管路上，见图 1 中的高频压力 传感器 3 和 6． 测点 3、测点 4 用于采集高压罐内水 听器与压力传感器的信号，分别布置在高压罐内的 靶盘附近与喷嘴侧壁，见图 1 中的 7 和 9，测点 3 和 4 的数据用作对比试验． 各传感器均与数据采集器 相连并实时将数据传输至数据处理器． 1—水箱; 2—高压泵; 3—高频压力传感器 A; 4—压力表; 5—流量 计; 6—高频压力传感器 B; 7—水听器; 8—压力传感器; 9—高频 压力传感器 C; 10—风琴管喷嘴; 11—高压罐; 12—靶盘; 13—数 据采集器; 14—计算机; 15—伺服电机; 16—溢流阀; 17—控制台 图 1 试验装置 Fig． 1 Schematic diagram of the test setup 1. 2 自振射流发生装置 试验中采用风琴管喷嘴作为自振射流发生装 置，其结构如图 2 所示． 由风琴管喷嘴的特性可知， 其产生射流的自激频率 fj为 · 873 ·

蔡腾飞等：基于管道流体信号的自振射流特性检测方法 ·379· f=5,号 (1) min-1,齿轮箱减速比为4.45，据此可得到三柱塞高 压泵引起的压力脉动基频f为6.98Hz.依据流体 式中，S,为喷嘴的Strouhal数；d为喷嘴出口直径；v 涡动理论S取0.12~0.2，由式(1)可得到f的 为射流出口速度. 取值范围 而风琴管喷嘴的结构固有频率，取决于风琴管 谐振腔的入口截面(D,/D)2和出口截面(D/)2的收 表2试验参数及自激频率 Table 2 Test parameters and self-resonating frequency 缩程度，其中，D,为入口直径：D为腔径；固有频率f v/(m-s-1) al(m's-1)f/Hz Sa f/kHz 的表达式为☒ 165 1450 6.98 0.12-0.29.916.5 人，是 (2) K=2W-1 N=1,2,3… (3) 2试验与分析 4 式中，K,为模数系数，N为振荡模数，a为声音在水 自振射流的特性主要指其压力振荡特性和空化 中传播速度，L为喷嘴谐振腔长度 特性，本文将从自振射流特性的这两个方面进行试 当自激频率∫的大小接近固有频率∫时系统将 验研究. 产生流体共振，形成具有强烈压力振荡和空化作用 2.1压力振荡特性 的自振射流，此时射流达到最佳自振效果. 压力振荡特性是自振射流的主要特性，通常用 试验选用的风琴管喷嘴的结构参数见表1，表 射流压力脉动信号的时域和频域特征来描述 中固有频率f由式(2)、(3)计算得到. 2.1.1时域特性 选取测点1、2进行试验，试验参数如表2，试验 D 时调节围压及靶距参数使射流达到最佳自振效果， 围压1.6MPa,靶距3d,此时对测点1、2进行同步采 集，获得测点1、2的时域压力信号如图3所示 由图3(a)可看出，测点1信号为低频压力脉 动，振幅约为0.8MPa,测点2信号为高频压力振荡， 振幅约为2.0MPa,是测点1的2.5倍，且包含测点 1的频率成分.从图3(b)局部放大图也可以看出，6 ms内测点1信号近似为一条直线，呈低频特征，而 测点2信号呈现明显的高频周期特征，并含有大量 图2风琴管喷嘴结构 Fig.2 Organ-pipe nozzle structure 的高频噪声. 测点1靠近高压泵出口，其采集的信号主要来 表1喷嘴结构参数及固有频率 Table 1 Organ-pipe nozzle structure and natural frequency 自高压泵三柱塞往复运动引起的低频压力脉动和管 D./mm D/mm d/mm L/mm f/kHz 路随机干扰：测点2靠近试验喷嘴，其获取的信号主 23 10 2 24 14.9 要是射流发生自振时引起的高频压力振荡和强烈空 化噪声.根据声学理论，测点2的高频振荡信号沿 试验过程中始终保持喷嘴出口流速，不变，试 管道流体向上游传播，但衰减损失大，测点1的低频 验参数见表2.稳定流速下，电动机转速为621r· 脉动信号沿管道流体向下游传播，但衰减损失小，故 b 测点1 测点2 4 0.6 0.0010.0020.0030.0040.0050.006 时间s 时间s 图3压力信号时域波形(a)及局部放大的时域波形(b) Fig.3 Time-domain waveform of the pressure signal (a)and the locally amplified time-domain waveform (b)

蔡腾飞等: 基于管道流体信号的自振射流特性检测方法 fj = Sd v d ( 1) 式中，Sd为喷嘴的 Strouhal 数; d 为喷嘴出口直径; v 为射流出口速度． 而风琴管喷嘴的结构固有频率，取决于风琴管 谐振腔的入口截面( Ds /D) 2 和出口截面( D / d) 2 的收 缩程度，其中，Ds为入口直径; D 为腔径; 固有频率 f 的表达式为［12］ f = KN a L ( 2) KN = 2N － 1 4 N = 1，2，3… ( 3) 式中，KN为模数系数，N 为振荡模数，a 为声音在水 中传播速度，L 为喷嘴谐振腔长度． 当自激频率 fj的大小接近固有频率 f 时系统将 产生流体共振，形成具有强烈压力振荡和空化作用 的自振射流，此时射流达到最佳自振效果． 试验选用的风琴管喷嘴的结构参数见表 1，表 中固有频率 f 由式( 2) 、( 3) 计算得到． 图 2 风琴管喷嘴结构 Fig． 2 Organ-pipe nozzle structure 表 1 喷嘴结构参数及固有频率 Table 1 Organ-pipe nozzle structure and natural frequency Ds /mm D/mm d /mm L /mm f / kHz 23 10 2 24 14. 9 图 3 压力信号时域波形( a) 及局部放大的时域波形( b) Fig． 3 Time-domain waveform of the pressure signal ( a) and the locally amplified time-domain waveform ( b) 试验过程中始终保持喷嘴出口流速 v 不变，试 验参数见表 2． 稳定流速下，电动机转速为 621 r· min － 1，齿轮箱减速比为 4. 45，据此可得到三柱塞高 压泵引起的压力脉动基频 fp为 6. 98 Hz． 依据流体 涡动理论 Sd取 0. 12 ～ 0. 2［13］，由式( 1) 可得到 fj的 取值范围． 表 2 试验参数及自激频率 Table 2 Test parameters and self-resonating frequency v/( m·s － 1 ) a /( m·s － 1 ) fp /Hz Sd fj / kHz 165 1450 6. 98 0. 12 ～ 0. 2 9. 9 ～ 16. 5 2 试验与分析 自振射流的特性主要指其压力振荡特性和空化 特性，本文将从自振射流特性的这两个方面进行试 验研究． 2. 1 压力振荡特性 压力振荡特性是自振射流的主要特性，通常用 射流压力脉动信号的时域和频域特征来描述． 2. 1. 1 时域特性 选取测点 1、2 进行试验，试验参数如表 2，试验 时调节围压及靶距参数使射流达到最佳自振效果， 围压 1. 6 MPa，靶距 3d，此时对测点 1、2 进行同步采 集，获得测点 1、2 的时域压力信号如图 3 所示． 由图 3( a) 可看出，测点 1 信号为低频压力脉 动，振幅约为 0. 8 MPa，测点 2 信号为高频压力振荡， 振幅约为 2. 0 MPa，是测点 1 的 2. 5 倍，且包含测点 1 的频率成分． 从图 3( b) 局部放大图也可以看出，6 ms 内测点 1 信号近似为一条直线，呈低频特征，而 测点 2 信号呈现明显的高频周期特征，并含有大量 的高频噪声． 测点 1 靠近高压泵出口，其采集的信号主要来 自高压泵三柱塞往复运动引起的低频压力脉动和管 路随机干扰; 测点 2 靠近试验喷嘴，其获取的信号主 要是射流发生自振时引起的高频压力振荡和强烈空 化噪声． 根据声学理论，测点 2 的高频振荡信号沿 管道流体向上游传播，但衰减损失大，测点 1 的低频 脉动信号沿管道流体向下游传播，但衰减损失小，故 · 973 ·

·380 工程科学学报，第41卷，第3期 测点2的信号中含有测点1的成分，而测点1的信 2.1.2频域特性 号中几乎没有接收到信号2的成分.测点1和测点 试验条件同上，选取测点1、2、4的压力信号进 2的间隔距离需要恰到好处 行试验，测点1、2位于高压罐外的管路上，拾取管道 时域压力信号分析结果认为，管道流体压力信 流体压力信号，而测点4位于高压罐内，测取喷嘴腔 号能够清楚地呈现自振射流的高频压力振荡特征， 内流体压力信号，用作对比分析 但无法识别振荡信号的组成，必须对压力振荡信号 试验时，对测点1、2、4的压力信号进行同步采 进行频域分析. 集，经信号处理后得到图4所示的频谱 0.4r 0.4 (a) 6.6.0.24 (13.2.0.28) (6.6.0.31) (13.2.0.39 0.3 0.3 02 0.2 0.1 0.1 15 20 25 15 2 25 頫茶Hz 频率kHz 04 0.4 (d) 7.0.30) 0.3 0.3 (7.0.28 -(14.0.28 0.2 (14.0.22) 02 21.0.11) 21.0.070 01 ! 100 200 300 400 100 200 300 400 频率州z 频率z 图4压力信号频谱.(a)测点2频谱：(b)测点4频谱：(c)测点2低颍部分频谱：(d)测点1频谱 Fig.4 Spectra of the pressure signal:(a)spectrum at point 2:(b)spectrum at point 4:(c)low frequency spectrum at point 2:(d)spectrum at point I 图4(a)、(b)分别为测点2、4的信号频谱，可以 起的空化初生，进而在射流打击过程中因空泡溃灭 看出，两信号的频谱均由6.6kHz和13.2kHz左右 发生的强烈空化作用，由此可见射流的空化作用发 的高频成分组成，由表2可知，13.2kHz在计算所得 生在打击物的表面上，空化特性试验必须有靶物存 自激频率范围内，由此认定13.2kHz为自振射流的 在.传统的自振射流空化特性的检测是在靶物附近 自激频率∫，且非常接近该风琴管喷嘴的结构固有 设置水听器，测取空化噪声，通过声功率谱分析空化 频率14.9kHz(见表1)，故判定此时射流处于强烈 作用效果.提出了基于管道流体压力信号实现射流 的共振状态.频谱中的6.6kHz为自激频率的次谐 空化特性的检测方法，并开展了如下试验研究 波，也称半基频谐波 试验参数如表2，通过围压、靶距等参数改变射 从频谱结构看，测点2与测点4的频谱结构具 流的压力振荡强度，进而调整自振射流的空化效果 有一致性，只是在幅值上略有不同（因管路有衰 选取测点2、3，测点3为水听器，位于高压罐内打击 减)，而测点4采用了腔内信号检测法，该方法的正 确性已得到诸多学者的认同s.图4()为图4 靶附近，用于测取空化噪声，其信号用作对比分析 (a)低频部分的放大图，将其与图4(d)测点1的频 试验分为两种工况：弱空化状态，围压2MPa,靶距 谱对比可见，两者基频均为7Hz,与该试验条件下高 6d;强空化状态，围压1.6MPa,靶距3d.试验时对 压泵的脉动基频6.98Hz基本一致 各状态下测点2、3的信号进行同步采集，经信号处 压力信号的频域分析结果认为，管道流体压力 理后得到测点2、3的功率谱密度，如图5所示，图中 信号的频谱分析能够清晰地识别出自振射流的各组 红色部分代表弱空化状态下信号强度，黑色部分代 成成分及其大小，完全能够表征自振射流的压力振 表强空化状态下信号强度. 荡特性 图5为两种状态下测点2、3的信号功率谱，从 2.2空化特性 功率谱结构上看，两测点信号的谱图均具有一致性. 自振射流的空化作用是指由其高频压力振荡引 在发生强烈空化作用时，图5(a)中20~30kHz及

工程科学学报，第 41 卷，第 3 期 测点 2 的信号中含有测点 1 的成分，而测点 1 的信 号中几乎没有接收到信号 2 的成分． 测点 1 和测点 2 的间隔距离需要恰到好处． 时域压力信号分析结果认为，管道流体压力信 号能够清楚地呈现自振射流的高频压力振荡特征， 但无法识别振荡信号的组成，必须对压力振荡信号 进行频域分析． 2. 1. 2 频域特性 试验条件同上，选取测点 1、2、4 的压力信号进 行试验，测点 1、2 位于高压罐外的管路上，拾取管道 流体压力信号，而测点 4 位于高压罐内，测取喷嘴腔 内流体压力信号，用作对比分析． 试验时，对测点 1、2、4 的压力信号进行同步采 集，经信号处理后得到图 4 所示的频谱． 图 4 压力信号频谱． ( a) 测点 2 频谱; ( b) 测点 4 频谱; ( c) 测点 2 低频部分频谱; ( d) 测点 1 频谱 Fig． 4 Spectra of the pressure signal: ( a) spectrum at point 2; ( b) spectrum at point 4; ( c) low frequency spectrum at point 2; ( d) spectrum at point 1 图 4( a) 、( b) 分别为测点 2、4 的信号频谱，可以 看出，两信号的频谱均由 6. 6 kHz 和 13. 2 kHz 左右 的高频成分组成，由表 2 可知，13. 2 kHz 在计算所得 自激频率范围内，由此认定 13. 2 kHz 为自振射流的 自激频率 fj，且非常接近该风琴管喷嘴的结构固有 频率 14. 9 kHz( 见表 1) ，故判定此时射流处于强烈 的共振状态． 频谱中的 6. 6 kHz 为自激频率的次谐 波，也称半基频谐波． 从频谱结构看，测点 2 与测点 4 的频谱结构具 有一致性，只是在幅值上略有不同( 因 管 路 有 衰 减) ，而测点 4 采用了腔内信号检测法，该方法的正 确性已得到诸多学者的认同［8--11］． 图 4 ( c) 为图 4 ( a) 低频部分的放大图，将其与图 4( d) 测点 1 的频 谱对比可见，两者基频均为 7 Hz，与该试验条件下高 压泵的脉动基频 6. 98 Hz 基本一致． 压力信号的频域分析结果认为，管道流体压力 信号的频谱分析能够清晰地识别出自振射流的各组 成成分及其大小，完全能够表征自振射流的压力振 荡特性． 2. 2 空化特性 自振射流的空化作用是指由其高频压力振荡引 起的空化初生，进而在射流打击过程中因空泡溃灭 发生的强烈空化作用，由此可见射流的空化作用发 生在打击物的表面上，空化特性试验必须有靶物存 在． 传统的自振射流空化特性的检测是在靶物附近 设置水听器，测取空化噪声，通过声功率谱分析空化 作用效果． 提出了基于管道流体压力信号实现射流 空化特性的检测方法，并开展了如下试验研究． 试验参数如表 2，通过围压、靶距等参数改变射 流的压力振荡强度，进而调整自振射流的空化效果． 选取测点 2、3，测点 3 为水听器，位于高压罐内打击 靶附近，用于测取空化噪声，其信号用作对比分析． 试验分为两种工况: 弱空化状态，围压 2 MPa，靶距 6d; 强空化状态，围压 1. 6 MPa，靶距 3d． 试验时对 各状态下测点 2、3 的信号进行同步采集，经信号处 理后得到测点 2、3 的功率谱密度，如图 5 所示，图中 红色部分代表弱空化状态下信号强度，黑色部分代 表强空化状态下信号强度． 图 5 为两种状态下测点 2、3 的信号功率谱，从 功率谱结构上看，两测点信号的谱图均具有一致性． 在发生强烈空化作用时，图 5( a) 中 20 ～ 30 kHz 及 · 083 ·

蔡腾飞等：基于管道流体信号的自振射流特性检测方法 ·381· 0.20 一强烈空化 4 一强烈空化 0.16 …较弱空化 2 一较弱空化 10 0.12 8 6 0.0 25 30 35 4045 50 55 60 20 25 30 354045. 505560 频率Hz 频率kHz 图5功率谱密度图.()测点3水听器信号：(b)测点2压力信号 Fig.5 Power spectral density:(a)hydrophone signal at point 3:(b)pressure signal at point 2 40kHz左右功率谱密度幅值较高，图5(b)中20~25 起的脉动干扰噪声.从图6(b)局部放大图也可以 kHz功率谱密度幅值较高，且在20~50kHz内存在 看出，2ms内测点1信号自相关近似为一条直线，呈 相对较高的能量分布，与现有研究结果相一致. 低频特征，而测点2信号自相关呈现明显的高频周 此外，在空化作用较弱时（红色部分），由图5可见， 期特征.图6()为两测点信号的互相关分析结果， 高频成分幅值低、衰减快，与强烈空化作用对比明 由图可见，其互相关成分为低频周期信号，波形与测 显，因此认为管道压力信号检测法能够较好地反映 点1高压泵引起的低频压力脉动相一致.从图6 射流的空化作用特性 ()局部放大图也可以看出，两测点的互相关信号 2.3千扰信号 中不存在高频相关成分，而低频压力峰值延迟时间 由上述分析可见，管道流体信号中不仅包含射 为5.5ms,由表2波速a可计算得到两测点间距离 流的高频压力振荡信号和空化引起的空化超声信 为7.975m,与实际工况相一致.压力信号相关分析 号，也包括大量能量较高的低频信号，而高频信号为 结果认为，两测点压力信号低频成分一致，具有相关 有用信息，低频信号主要为干扰噪声.因高频信号 性：但互相关结果不存在高频信号，即高频压力振荡 在传播过程中更容易衰减，所以，有必要采取措施抑 信号与低频干扰信号不相关 制低频噪声干扰，提高管道流体中的高频信号强度. 上述分析表明，自振射流的特征频率与干扰频 对测点1、2进行同步采集，得到管路上不同两 率不相关，因此为了抑制由高压泵产生的低频强信 点的流体压力信号，再对其进行自相关、互相关分 号干扰，对上述压力信号进行高通滤波，信号处理结 析，结果如图6所示 果如图7所示.由图7(a)可看出，滤波后测点1信 由图6(a)可见，测点1、2压力信号的自相关结 号幅值大幅衰减为原来的1/10，而测点2信号仍为 果均包含明显的低频周期信号，此为高压泵柱塞引 高频压力振荡，振幅约为1.5MPa,是测点1的10 10 测点1 -测点2 b 测点1一测点2 人人W 0.4 0.6 0.8 0.001 0.002 时间/ 时间/s e d .0.0055.1.724 八几八八w 0.4 0.02 0.040.06 0.08 0.10 时间/s 时间s 图6压力信号相关分析波形.()自相关波形：(b)局部放大的自相关波形：(c)互相关波形：(d)局部放大的互相关波形 Fig.6 Correlation analysis waveform of the pressure signal:(a)auto-correlation waveform:(b)locally amplified auto-correlation waveform:(c) cross correlation waveform:(d)locally amplified cross correlation waveform

蔡腾飞等: 基于管道流体信号的自振射流特性检测方法 图 5 功率谱密度图． ( a) 测点 3 水听器信号; ( b) 测点 2 压力信号 Fig． 5 Power spectral density: ( a) hydrophone signal at point 3; ( b) pressure signal at point 2 40 kHz 左右功率谱密度幅值较高，图5( b) 中20 ～ 25 kHz 功率谱密度幅值较高，且在 20 ～ 50 kHz 内存在 相对较高的能量分布，与现有研究结果相一致［14］． 此外，在空化作用较弱时( 红色部分) ，由图 5 可见， 高频成分幅值低、衰减快，与强烈空化作用对比明 显，因此认为管道压力信号检测法能够较好地反映 射流的空化作用特性． 2. 3 干扰信号 由上述分析可见，管道流体信号中不仅包含射 流的高频压力振荡信号和空化引起的空化超声信 号，也包括大量能量较高的低频信号，而高频信号为 有用信息，低频信号主要为干扰噪声． 因高频信号 在传播过程中更容易衰减，所以，有必要采取措施抑 制低频噪声干扰，提高管道流体中的高频信号强度． 对测点 1、2 进行同步采集，得到管路上不同两 点的流体压力信号，再对其进行自相关、互相关分 析，结果如图 6 所示． 图 6 压力信号相关分析波形． ( a) 自相关波形; ( b) 局部放大的自相关波形; ( c) 互相关波形; ( d) 局部放大的互相关波形 Fig． 6 Correlation analysis waveform of the pressure signal: ( a) auto-correlation waveform; ( b) locally amplified auto-correlation waveform; ( c) cross correlation waveform; ( d) locally amplified cross correlation waveform 由图 6( a) 可见，测点 1、2 压力信号的自相关结 果均包含明显的低频周期信号，此为高压泵柱塞引 起的脉动干扰噪声． 从图 6( b) 局部放大图也可以 看出，2 ms 内测点 1 信号自相关近似为一条直线，呈 低频特征，而测点 2 信号自相关呈现明显的高频周 期特征． 图 6( c) 为两测点信号的互相关分析结果， 由图可见，其互相关成分为低频周期信号，波形与测 点 1 高压泵引起的低频压力脉动相一致． 从图 6 ( d) 局部放大图也可以看出，两测点的互相关信号 中不存在高频相关成分，而低频压力峰值延迟时间 为 5. 5 ms，由表 2 波速 a 可计算得到两测点间距离 为 7. 975 m，与实际工况相一致． 压力信号相关分析 结果认为，两测点压力信号低频成分一致，具有相关 性; 但互相关结果不存在高频信号，即高频压力振荡 信号与低频干扰信号不相关． 上述分析表明，自振射流的特征频率与干扰频 率不相关，因此为了抑制由高压泵产生的低频强信 号干扰，对上述压力信号进行高通滤波，信号处理结 果如图 7 所示． 由图 7( a) 可看出，滤波后测点 1 信 号幅值大幅衰减为原来的 1 /10，而测点 2 信号仍为 高频压力振荡，振幅约为 1. 5 MPa，是测点 1 的 10 · 183 ·

·382 工程科学学报，第41卷，第3期 一测点1一测点2 (b) 一测点1一测点2 -2 0 02 0.4 0.6 0.8 0.0010.0020.0030.0040.005 0.006 时间/s 时间/s 04 0.4 (13.2.0.28 d 6.6.0,24 0.3 0.3 02 01 10 15 20 25 30 0 100 200 300 400 频率kHz 频率Hz 图7滤波结果.(a)滤波后时域波形：(b)滤波后局部放大的时域波形：(c)滤波后测点2频谱：(d)滤波后测点2低频部分频谱 Fig.7 Filtering results:(a)filtered time-domain waveform:(b)locally amplified filtered time-domain waveform:(c)filtered spectrum at point 2: (d)filtered low frequeney spectrum at point 2 倍，但未受干扰信号的影响.从图7(b)局部放大图 sure.Chin J Mech Eng,2005,41(6):218 也可以看出，6ms内测点1信号为一条直线，而测点 (易灿，李根生，张定国.围压下自根喷嘴空化起始能力试验 2信号波形基本与图3(b)一致，高频周期特征未受 及应用研究.机械工程学报，2005,41(6)：218) [2]Liu Y C.Cheng HJ,Peng LZ,et al.Computer simulation on jet- 影响.由图7(c)和7(d)可以看出，滤波后测点2的 pump lifting system of ocean mining.J Unir Sci Technol Beijing, 频谱高频特征频率及幅值未发生改变，但低频干扰 1996,18(3):259 得到有效抑制. (刘永才，程火金，彭龙洲，等.大洋采矿射流泵扬矿系统计 算机仿真计算.北京科技大学学报，1996,18(3)：259) 3结论 B]Wang R H,Du Y K,Ni H J.et al.Hydrodynamic analysis of suck-in pulsed jet in well drilling.J Hydrodyn,2011,23(1):34 (1)提出了一种基于管道流体信号的自振射流 [4]LiCS,Shen Z H,Zhou CS,et al.Investigation and application 特性检测方法，与传统方法相比，该方法将压力传感 of self-resonating cavitating water jet in petroleum engineering.Pet- 器从高压罐内移至高压罐外，布置在高压罐外的前 rol Sci Technol,2005,23(1):1 端管路上，使其不受试验围压的影响 5]Hu D,Li X H,Tang C L,et al.Analytical and experimental in- (2)管道流体压力信号的频谱特征与喷嘴腔内 vestigations of the pulsed air-water jet.Fluids Struct,2015,54: 检测法具有一致性，且与理论计算较为吻合，充分表 88 6 Wang P H,Ma F.Vibration analysis experiment of self-resonating 征了射流的压力振荡特性；其声功率谱与高压罐内 cavitating water jet.J Mech Eng,2009,45(10):89 水听器检测结果相一致，较好地表述了射流的空化 (王萍辉，马飞.自激振动空化射流振动分析试验.机械工程 作用特性，表明了该检测方法的可行性和先进性. 学报，2009,45(10)：89) (3)采用同一压力传感器检测自振射流的压力 Li D,Li X H,Kang Y,et al.Experimental investigation on the 振荡特性和空化作用特性，省去了传统方法中的水 influence of intemal surface roughness of organ pipe nozzle on the 听器，使得检测方法更简单，精度更高，试验范围 characteristics of high pressure jet.J Mech Eng,2015,51(17): 169 更宽. (李登，李晓红，康勇，等.风琴管喷嘴内表面粗糙度对高压 (4)该方法为高围压下自振射流技术研究提供 射流特性的影响试验研究.机械工程学报，2015,51(17)： 了支撑，不仅可作为实验室自振喷嘴特性的检测手 169) 段，也可用作现场使用时自振喷嘴性能的调控系统 8] Tang C L,Wang X M,Hu D,et al.Influence of special-outlet self-exciting oscillation pulsed nozzle on oscillation frequency.Min Process Equip,2015,43(1)15 参考文献 (唐川林，王晓明，胡东，等.自振脉冲喷嘴中异形结构对射 [1]YiC,LiGS,Zhang DG.Laboratory and field study of enhancing 流振荡频率的影响.矿山机械，2015,43(1)：15) cavitation effect with self-resonating nozzle under ambient pres- 9]Ma F,Cai T F,Liu J,et al.Experimental study of self-resonating

工程科学学报，第 41 卷，第 3 期 图 7 滤波结果． ( a) 滤波后时域波形; ( b) 滤波后局部放大的时域波形; ( c) 滤波后测点 2 频谱; ( d) 滤波后测点 2 低频部分频谱 Fig． 7 Filtering results: ( a) filtered time-domain waveform; ( b) locally amplified filtered time-domain waveform; ( c) filtered spectrum at point 2; ( d) filtered low frequency spectrum at point 2 倍，但未受干扰信号的影响． 从图 7( b) 局部放大图 也可以看出，6 ms 内测点 1 信号为一条直线，而测点 2 信号波形基本与图 3( b) 一致，高频周期特征未受 影响． 由图 7( c) 和 7( d) 可以看出，滤波后测点 2 的 频谱高频特征频率及幅值未发生改变，但低频干扰 得到有效抑制． 3 结论 ( 1) 提出了一种基于管道流体信号的自振射流 特性检测方法，与传统方法相比，该方法将压力传感 器从高压罐内移至高压罐外，布置在高压罐外的前 端管路上，使其不受试验围压的影响． ( 2) 管道流体压力信号的频谱特征与喷嘴腔内 检测法具有一致性，且与理论计算较为吻合，充分表 征了射流的压力振荡特性; 其声功率谱与高压罐内 水听器检测结果相一致，较好地表述了射流的空化 作用特性，表明了该检测方法的可行性和先进性． ( 3) 采用同一压力传感器检测自振射流的压力 振荡特性和空化作用特性，省去了传统方法中的水 听器，使得检测方法更简单，精度更高，试验范围 更宽． ( 4) 该方法为高围压下自振射流技术研究提供 了支撑，不仅可作为实验室自振喷嘴特性的检测手 段，也可用作现场使用时自振喷嘴性能的调控系统． 参 考 文 献 ［1］ Yi C，Li G S，Zhang D G． Laboratory and field study of enhancing cavitation effect with self-resonating nozzle under ambient pres￾sure． Chin J Mech Eng，2005，41( 6) : 218 ( 易灿，李根生，张定国． 围压下自振喷嘴空化起始能力试验 及应用研究． 机械工程学报，2005，41( 6) : 218) ［2］ Liu Y C，Cheng H J，Peng L Z，et al． Computer simulation on jet￾pump lifting system of ocean mining． J Univ Sci Technol Beijing， 1996，18( 3) : 259 ( 刘永才，程火金，彭龙洲，等． 大洋采矿射流泵扬矿系统计 算机仿真计算． 北京科技大学学报，1996，18( 3) : 259) ［3］ Wang Ｒ H，Du Y K，Ni H J，et al． Hydrodynamic analysis of suck-in pulsed jet in well drilling． J Hydrodyn，2011，23( 1) : 34 ［4］ Li G S，Shen Z H，Zhou C S，et al． Investigation and application of self-resonating cavitating water jet in petroleum engineering． Pet￾rol Sci Technol，2005，23( 1) : 1 ［5］ Hu D，Li X H，Tang C L，et al． Analytical and experimental in￾vestigations of the pulsed air--water jet． J Fluids Struct，2015，54: 88 ［6］ Wang P H，Ma F． Vibration analysis experiment of self-resonating cavitating water jet． J Mech Eng，2009，45( 10) : 89 ( 王萍辉，马飞． 自激振动空化射流振动分析试验． 机械工程 学报，2009，45( 10) : 89) ［7］ Li D，Li X H，Kang Y，et al． Experimental investigation on the influence of internal surface roughness of organ pipe nozzle on the characteristics of high pressure jet． J Mech Eng，2015，51( 17) : 169 ( 李登，李晓红，康勇，等． 风琴管喷嘴内表面粗糙度对高压 射流特性的影响试验研究． 机械工程学报，2015，51 ( 17) : 169) ［8］ Tang C L，Wang X M，Hu D，et al． Influence of special-outlet self-exciting oscillation pulsed nozzle on oscillation frequency． Min Process Equip，2015，43( 1) : 15 ( 唐川林，王晓明，胡东，等． 自振脉冲喷嘴中异形结构对射 流振荡频率的影响． 矿山机械，2015，43( 1) : 15) ［9］ Ma F，Cai T F，Liu J，et al． Experimental study of self-resonating · 283 ·

蔡腾飞等：基于管道流体信号的自振射流特性检测方法 ·383· water jet frequency characteristics.J Mech Eng,2016,52(14): nozzle.Chin J Eng,2015,37(9):1191 182 (韩健，柳靖，汪晖，等.自振射流喷嘴振荡腔内信号检测方 (马飞，蔡腾飞，柳靖，等。自振射流频率特性的试验研究.机 法.工程科学学报，2015,37(9)：1191) 械工程学报，2016,52(14)：182) [12]Chahine G L,Johnson V E,Lindenmuth W T,et al.The use of [0]Xu PP,Liu J,Ma F,et al.Analysis methods forflow pressure self-resonating cavitating water jets for underwater sound genera- signals in oscillation cavity of a self-resonating jet nozzle.I Vib tion.J Acoust Soc Am,1985,77(1)113 Shock:,2015,34(17):180 [13]Blevins R D.Flow-nduced Vibration.New York:Van Nostrand (徐平平，柳靖，马飞，等.自振射流喷嘴腔内压力信号分析 Reinhold,1990 方法的研究.振动与冲击，2015,34(17)：180) [14]Zhang F H,Liu H F,Xu JC,et al.Experimental investigation [11]Han J,Liu J,Wang H,et al.A new detection method of fluid on noise of cavitation nozzle and its chaotic behavior.Chin J pulsation inside the oscillation cavity of a self-resonating water jet Mech Eng,2013,26(4):758

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